摘要: 在对模块化相关概念分析的基础上,运用模块化相关理论,提出了机电产品模块化的发展策略;并对其基本框架、基本流程和关键环节进行了分析。
关键词: 模块;模块化;机电产品;发展策略
中图分类号:TP29;F124·3 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2009)12-0112-04
0引言
随着全球经济一体化进程的发展,人们对机电产品的需求逐步呈现出多样化、个性化、易变性等特征,为了满足上述需求,机电产品研发过程必须适应“多品种、小批量、高时效性”的要求。
“模块化”作为现代标准化的核心内容、基本工作形式,为上述问题提供了解决思路,即通过模块的不同组合实现产品的“多品种、小批量”生产,达到产品多样化与低成本的有机统一,大大缩短研发周期,快速投放市场,实现产品研发的“高时效性”[1]。与此同时,模块化策略还可有效降低新产品研发的技术风险和市场风险[2],优化产业结构,是实现技术创新、循环经济的有效途径[3]。
因此,在经济全球一体化背景下,进行模块化发展策略的相关研究,对于从根本上提升我国机电产品制造业自主创新能力,实现可持续发展具有重要的战略意义。
1模块与模块化
1.1 模块
模块化理论认为,任何复杂系统都是由若干功能模块,通过接口连接而成。在解决大型复杂问题方面,模块化理论可以使问题简化、思路清晰、条理分明,取得较好的效果。本文在综合学术界相关观点的基础上[4-8],根据机电产品特点,对模块、模块化、模块化产品族具体含义定义如下:
定义1:模块作为产品的组成部分,相对于产品来说是基本的、独立的功能单元,通过标准化的接口和相互作用可以组合成产品。
就机电产品而言,模块具有如下特征[6]:
①模块具有确定和独立的功能,这是模块的基本要素;
②模块具有确定和独立的结构,其中包括能传递功能、组成系统的接口结构,而这种接口结构是标准;
③模块可以组成产品系统,即模块是具有可组合性;
④模块是一种标准的单元,具有互换性。
由上述特征可知:
模块不同于产品的组件或部件,产品的组件或部件的划分注重的是结构完整性,而模块更强调功能的独立性;模块不同于电子元器件或集成块。模块的层次尽管可高、可低,但模块是指有特定目的和概念并高于电子元器件或集成块的单元。
1.2 模块化
模块化至今尚无统一的定义,许多学者从不同方面、不同角度给出了多种理解:
美国斯坦福大学经济学教授青木昌彦认为:指半自律性的子系统,通过和其他同样的子系统按照一定规则相互联系而构成的更加复杂的系统或过程[7]。
哈佛大学教授Baldwin和Clark认为:模块化是组织、设计复杂产品或过程的有效战略之一,其核心是从相对小的、可以独立进行功能设计的系统组建成一个复杂产品或流程,不同模块的研发和改进相对独立,其信息处理过程被包含在模块内部,通过标准界面与其他模块相互连接[8]。
模块化有狭义和广义之分,文献4从产品层面、企业层面、网络层面对模块化进行了阐述。本文综合上述观点并将“模块化”定位于产品层面,其定义为:
定义2:模块化是根据用户的需求,在对某类产品(即产品族)进行功能分析和分解的基础上,划分并设计、生产出一系列通用(标准)模块,然后,从这些模块中选取相应的模块并补充新设计的专用模块和零部件进行相应的组合,来构成满足不同需要的产品。
其内涵可以用图1表示。
由图1可知,模块化包括两个基本过程:
①“模块分解过程”: 即将用户产品功能需求按一定的规则分解成可进行独立设计、制造的模块的过程;
②“模块组合过程”或“系统(产品)集成过程”:即按模块间的接口规则,将模块组合起来,构建用户所需的系统(产品)的过程。
1.3 模块化产品族
定义3:模块化产品族是以基本平台为基础,通过添加不同的个性化模块,能满足不同用户需求的一组相关系列产品。
其形成过程如图2所示[5]。
基本平台是产品族的基础,是能够被某一系列产品共享的、可重用的模块集合,具有相对稳定的结构。本文所述基本平台不仅包括通用模块集合,而且还包括由这些通用模块按不同组合方式所形成通用程度不同的模块组合。
个性化模块包括变异模块和特定模块。变异模块是因参数不同而使产品族实现系列化、满足用户个性化需求的组成模块。特定模块是指满足用户定制的特殊功能需求的模块,如野外环境下产品防潮的功能模块。
2机电产品模块化发展策略要素分析
模块化发展策略就是根据模块的分解、组合原理,将用户的不同需求转化为模块化系统,在基本平台基础上构建产品族,来满足用户的个性化需求,并在此过程中完成产品的绿色设计和技术创新,实现产品的多样化与大规模迅速定制的和谐统一,提升企业自主创新能力,实现可持續发展的目标。
2.1 基本框架
系列化机电产品组成的产品族其不同功能通过不同模块进行组合加以实现,模块之间通过标准的接口,按照一定的集成规则进行联接。模块化发展策略框架如图3所示。
模块化发展策略由系统集成商和模块供应商合作完成[4]。系统集成商根据用户提出的产品功能需求,按照一定的模块划分规则将复杂机电产品的进行模块分解,将高度模块化的生产过程分包给模块供应商;模块供应商具有独特的核心能力、良好的协同能力,致力于研发、生产模块化单元;系统集成商对不同供应商的产品模块进行集成,制造最终的复杂产品来满足用户的需求。
2.2 基本流程
机电产品模块化发展策略实施基本流程如图4所示[5]。
首先,系统集成商对广大用户对该类产品不同需求进行分析,对拟开发的产品族进行规划,确定系列型谱。在对产品功能分析、分解的基础上,进行模块分解并初步确定接口规则。
其次,系统集成商与模块供应商共同对所划分的模块进行功能分析、功能原理性设计和结构设计,并最终确定模块间的接口规则。具体的模块的研发、生产由各自的供应商完成,系统集成商根据各供应商提供的模块构建系列化模块库,供新产品选择使用。
最后,系统集成商对具体型号产品的设计要求进行分析,确定基本平台,选择个性化模块,通过技术集成,形成最终产品,交付用户。
2.3 关键环节
2.3.1 模块分解
模块划分是在保证产品功能实现、结构完整的基础上,按一定的原则和方法,将设计对象(产品族)分解,形成模块的过程。模块分解是一个复杂的、涉及因素众多、多目标的综合优化过程,是整个模块化策略实施的前提与基础。
一个优秀的模块分解方案,应能最大限度的实现产品寿命周期各阶段的模块化目标[9-10],主要目标有:1)分割设计任务,实现并行开发,缩短开发周期;2)改进生产和装配过程,以降低加工装配时间与成本;3)便于产品的维护保养和升级换代,便于产品重构;4)售后服务模块化的支持;5)产品报废后,各模块便于循环利用及相关处理;6)提高产品乃至企业的标准化程度;7)实现产品的多样化与迅速定制的和谐统一。
要实现上述目标,进行模块分解时,应以实现模块功能、稳定产品结构、强调模块内部的强耦合(模块之间松耦合)、模块间接口标准化为总要求,遵循以下原则[11-13]:
①功能相关性原则。
功能属性反映在零件之间的交互关系,主要包括5个方面:结构交互、能量交互、物质交互、信息交互和作用力交互。一般来说,零部件间的这5种交互作用越大,其功能相关性越强,它们就越应划分在同一模块中,这样可以提高模块之间的功能独立性。
②结构性相关性原则。
模块化产品内部各零件之间存在装配关系,结构相关性是指零件之间存在的装配约束、几何约束、尺寸约束等结构特征。一般来说,当零件间相互接触、无相对运动且有刚性联接时;零件合并后不会影响到产品的可拆卸性和可装配性时,可将此类零件划分到一个模块中。
③绿色性原则。
从绿色设计的角度出发,在满足产品基本功能要求的前提下,产品的模块划分应注意以下问题:
回收与处理:根据产品废弃后零部件的重用性、材料的回收性和零部件作为废弃物的处理方式(焚烧、掩埋等)进行模块划分,便于产品报废后的回收利用,降低产品处理成本。
维护:将相同(近)寿命或相同(近)维护频率的零部件集成于同一模块,易于维护,也便于整体更换模块,同时模块间的接口应标准化,易于装配与拆卸。
升级换代:如果将未来可能升级的零件放在一个模块中,在升级时直接更换这个模块,可以提高产品的市场竞争力,减少开发时间和成本,同时减少对环境的不利影响。
④工艺性原则。
以模块为单位组织零部件的生产和装配,工艺上与其他模块不发生交互,从而保证模块化产品并行制造的目标的实现。
2.3.2 创新实现
实现产品技术创新,提高企业的自主创新能力,是实施模块化发展策略的终极目标,也是该策略的核心价值所在。
由于模块化产品的模块设计与架构设计分别由模块供应商和系统集成商在不同阶段完成,因此产品的创新分为模块层次的创新和架构层次的创新[14]。
①由模块供应商主导的模块层次创新。
模块层次的创新,主要以模块功能的变革为主,产品架构本身不发生改变,或仅跟模块功能的创新做必要的调整。
引发模块层次创新的情况有两种:第一,系统集成商提供模块需求给模块供应商,此需求可能为规格、性能或甚至只提供模块的功能需求,由模块供应者自行设计开发;第二,模块供应商基于自身研制能力的提升,主动提供新模块给系统集成商。
无论由模块供应商或系统集成商所引发的模块层次创新,实际设计变更部分皆有模块供应商执行,因此模块层次的创新是由模块供应商主导的。对系统集成商者而言,由于模块层次的创新仅仅就部分的架构加以调整,并未涉及核心架构的改变,其扮演的角色在于确保模块供应商所提供的新模块能够遵循产品接口标准及规格限制。
②由系统集成商主导的产品架构层次的创新。
架构层次的创新可分为两种情况:第一,以架构创新为主,功能模块不发生改变,或仅仅做部分调整(即架构改变、模块核心加强的架构创新);第二,功能模块与架构同时发生大幅度的改变(即架构改变、模块核心颠覆的根本型创新)。
由于架构核心由系统集成商所掌握,因此架构层次的创新是由系統集成商主导的。但产品的架构设计属于产品基本平台的设计,因此当产品涉及架构层次的改变时,系统集成商需会同模块供应商对模块的性能、规格与接口进行再次确认。
3结束语
自从哈佛大学教授Baldwin和Clark的《Managing in the age ofmodularity》于1997年发表之后,“模块时代”的概念被越来越多的学者所接受。模块时代的来临,对各行各业各个层面都具有深远影响。本文基于机电产品层面,提出了模块化发展策略,并对策略要素进行分析,得到以下结论:
(1)模块化发展策略的实施有助于实现产品的多样化与大规模迅速定制的和谐统一;
(2)模块化发展策略的实施有利于提高产品寿命周期各阶段的绿色化程度,优化产业结构,实现循环经济;
(3)模块化发展策略的实施有利于产品技术创新,提高企业的自主创新能力,实现可持续发展。
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